CN107785451A - 基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器及其制备方法，该方法包括：选取Si衬底；生长Ge籽晶层；生长Ge主体层；生长SiO2层；将整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化，激光波长为808nm，光斑尺寸10mm×1mm，功率为1.5kW/cm2，移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；去除SiO2层；生长P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层；生长Al2O3材料，刻蚀形成接触孔，最终形成该光电探测器。本发明激光再晶化工艺具有选择性高，控制精度准，晶化速度快，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点；通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge外延层位错密度和表面粗糙度，进而显著提高Ge PIN光电探测器的暗电流特性。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着光通信技术的发展，具有高响应度、高量子效率、低暗电流以及高响应频率带宽的光电探测器得以实现。以现有的工艺技术，Si基光电集成接收芯片一直是人们追求的目标。InGaAs/InP等III-V族半导体材料制备的探测器量子效率高、暗电流小并已进入产业化阶段，但其价格昂贵、导热性能和机械性能较差以及与现有的成熟的Si工艺兼容性差等缺点限制了其在Si基光电集成技术中的应用。Ge材料的直接带隙约为0.67eV，对光通信中C波段(1528-1560nm)的光信号有较好的响应特性。特别是Ge材料的价格低廉以及与现有的Si工艺完全兼容，因此，研究和制备Ge PIN光电探测器引起了人们极大的兴趣。
为了在提高器件性能的同时降低成本，制备Ge PIN光电探测器的衬底材料选取也值得研究。直接选择Ge材料作为衬底将会增大器件的制造成本，与Ge材料相比，Si在地壳中储量巨大，获取方便且便宜，而且，Si的机械强度和热性质比Ge更好。然而，由于Si与Ge之间存在晶格失配，在Si衬底上的Ge外延材料中存在较高密度的位错，导致Ge PIN光电探测器暗电流特性变差，限制了器件的发展。为了降低成本，提高器件性能，我们选择在Si衬底上外延一层Ge薄膜所形成的虚Ge衬底上生长高质量的Ge外延层。然而，由于Si与Ge之间存在4.2％的晶格失配，Ge/Si虚衬底技术实现难度大。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器及其制备方法。
具体地，本发明一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器及其制备方法，包括：
S101、选取掺杂浓度为5×1018cm-3的P型单晶Si衬底材料；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；
S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO2层；
S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
S106、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一SiO2层，以得到Ge/Si虚衬底；
S107、利用减压CVD工艺生长厚度为300nm的P型Ge层，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为330℃；
S108、采用硝酸和氢氟酸刻蚀部分区域的所述P型Ge层，刻蚀厚度为200nm；
S109、利用减压CVD工艺在未刻蚀的所述P型Ge层表面生长厚度为300nm的本征Ge层，生长温度为160℃；
S110、利用减压CVD工艺在所述本征Ge层生长厚度为20nm的N型Ge层，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为160℃；
S111、利用减压CVD在所述N型Ge层表面生长厚度为20nm的N型Si层，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为300℃；
S112、利用ALD工艺在整个衬底表面生长厚度为5nm的Al2O3材料；
S113、采用氢氧化钠刻蚀部分区域的所述Al2O3材料，刻蚀厚度为5nm；
S114、利用原子层外延工艺在所述Al2O3材料表面有选择性的生长30nm的Al材料；
S115、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为100nm的第二SiO2层；
S116、采用硝酸和氢氟酸刻蚀所述第二SiO2层，刻蚀位置与所述Al2O3材料被刻蚀的位置相同，形成接触孔；
S117、利用电子束蒸发工艺淀积厚度为100nm的Ni/Ag材料，以形成所述基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器。
本发明另一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器，包括：单晶Si衬底、晶化Ge层、P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层、Al2O3层及Al层；其中，所述光电探测器由上述实施例提供的方法制备形成。
本发明再一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器的制备方法，包括：
选取Si衬底；
第一温度范围下，在所述Si衬底表面生长Ge籽晶层；
第二温度范围下，在所述Ge籽晶层表面生长Ge主体层；
在所述Ge主体层表面生长第一SiO2层；
将整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；
去除所述第一SiO2层；
在所述晶化Ge层表面连续生长P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层；
在所述N型Si层表面生长Al2O3材料，并刻蚀所述Al2O3材料形成接触孔；
在所述Al2O3材料表面生长Al材料，刻蚀所述Al材料，最终形成所述基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器。
在本发明的一个实施例中，所述第一温度范围为：275℃～325℃；所述第二温度范围为：500℃～600℃。
在本发明的一个实施例中，在所述晶化Ge层表面连续生长P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层，包括：
利用减压CVD工艺在所述晶化Ge层表面生长所述P型Ge层；
利用减压CVD工艺在所述P型Ge层表面生长所述本征Ge层；
利用减压CVD工艺在所述本征Ge层表面生长所述N型Ge层，形成PIN结构。
在本发明的一个实施例中，形成PIN结构之后，还包括：
利用减压CVD工艺在所述N型Ge层表面生长所述N型Si层。
在本发明的一个实施例中，刻蚀所述Al材料之后，还包括：
利用CVD工艺在整个衬底表面淀积SiO2材料；
采用硝酸和氢氟酸刻蚀所述SiO2材料，刻蚀位置与所述Al2O3材料被刻蚀的位置相同；
利用电子束蒸发工艺淀积Ni/Ag材料。
本发明又一个实施例提出的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器，包括：单晶Si衬底、晶化Ge层、P型Ge层、本证Ge层、N型Ge层、Al2O3层及Al层；其中，所述光电探测器由上述实施例所述的方法制备形成。
基于此，本发明具备如下优点：
1)本发明采用的激光晶化工艺具有选择性高，控制精度高，晶化速度快，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点；
2)本发明通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度和表面粗糙度，有利于减少器件的暗电流，进而提高了其量子效率。
通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器制备方法的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种激光晶化装置的结构示意图；
图4a-图4p为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器制备方法的工艺结构事宜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器制备方法的示意图。该方法包括如下步骤：
步骤a、选取Si衬底；
步骤b、第一温度范围下，在所述Si衬底表面生长Ge籽晶层；
步骤c、第二温度范围下，在所述Ge籽晶层表面生长Ge主体层；
步骤d、在所述Ge主体层表面生长第一SiO2层；
步骤e、将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；
步骤f、去除所述第一SiO2层；
步骤g、在所述晶化Ge层表面连续生长P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层；
步骤h、在所述N型Si层表面生长Al2O3材料，并刻蚀所述Al2O3材料形成接触孔；
步骤i、在所述Al2O3材料表面生长Al材料，刻蚀所述Al材料，最终形成所述基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器。
在步骤b和步骤c中，所述第一温度范围为：275℃～325℃；所述第二温度范围为：500℃～600℃。
其中，步骤g可以包括：
步骤g1、利用减压CVD工艺在所述晶化Ge层表面生长所述P型Ge层；
步骤g2、利用减压CVD工艺在所述P型Ge层表面生长所述本征Ge层；
步骤g3、利用减压CVD工艺在所述本征Ge层表面生长所述N型Ge层，形成PIN结构。
另外，在步骤g3之后，还包括：
步骤x、利用减压CVD工艺在所述N型Ge层表面生长所述N型Si层。
其中，步骤i中，刻蚀所述Al材料之后，还包括：
步骤j、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积SiO2材料；
步骤k、采用硝酸和氢氟酸刻蚀所述SiO2材料，刻蚀位置与所述Al2O3材料被刻蚀的位置相同；
步骤l、利用电子束蒸发工艺淀积Ni/Ag材料。
本发明的工作原理及有益效果具体为：
目前，Si衬底上制备Ge外延层相对成熟，也是最常见的方法是两步生长法。但两步生长法仍然无法解决Ge外延层中大量螺位错的出现，所以还常需要结合循环退火工艺以减小Ge外延层螺位错密度。然而，循环退火工艺会出现Si-Ge互扩问题。另外，循环退火工艺的引入在减小位错密度的同时，还会导致Ge/Si缓冲层表面粗糙度的增加。同时，该方法还存在工艺周期长，热预算高等缺点。
为了避免位错缺陷在外延的过程中沿纵向扩展而导致Ge/Si虚衬底晶体质量降低，可采用Ge/Si横向结晶生长的方法，抑制缺陷的扩展从而获得高质量的Ge/Si虚衬底。激光晶化技术是一种热致相变横向结晶的方法，是解决该问题的有效方案。
请参见图2，图2本发明实施例提供的一种激光晶化工艺的示意图，先用化学气相淀积经两步法形成薄的Ge外延层，再用连续激光晶化使Ge横向结晶生长，获得高质量的Si衬底上Ge外延层，进而外延Ge并以此为基础加工Ge PIN光探测器。
本发明的技术要点是采用连续激光晶化辅助技术来制作Ge PIN光探测器。请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种激光晶化装置的结构示意图。该装置通过对样品材料进行连续的激光晶化，以形成较低表面粗糙度和较低位错密度的Ge/Si虚衬底，进而外延Ge并以此为基础加工Ge PIN光探测器。
另外，激光再晶化可以看作是激光对薄膜的热效应，即激光通过热效应将被照射的薄膜融化，在较短的时间使其冷却结晶的过程。激光晶化大致可分为以下三个阶段：
1)激光与物质的相互作用阶段。此阶段物质吸收激光能量转变为热能，达到熔化状态。激光与物质相互作用过程中，物质的电学性能、光学性能、结构状况等均发生变化。
2)材料的热传导阶段。根据热力学基本定律，激光作用于材料上将会发生传导、对流和辐射三种传热方式，此时加热速度快，温度梯度大。
3)材料在激光作用下的传质阶段。传质，即物质从空间或空间某一部位运动到另一部位的现象。在此阶段，经激光辐射获得能量的粒子开始运动。传质存在两种形式：扩散传质和对流传质。扩散传质表示的是原子或分子的微观运动；对流传质则是流体的宏观运动。
本实施例，通过上述加工工艺，至少具备如下优点：
1)本发明采用的激光晶化工艺具有选择性高，控制精度高，晶化速度快，工艺步骤简单，工艺周期短，热预算低等优点；
2)本发明通过连续激光辅助晶化Ge/Si虚衬底，可有效降低Ge/Si虚衬底的位错密度和表面粗糙度，有利于减少器件的暗电流，进而提高了其量子效率。
另外，需要强调说明的是，本发明的激光再晶化(Laser Re-Crystallization,简称LRC)工艺与激光退火(laser annealing)工艺有显著区别。激光退火工艺，属于热退火工艺范畴。其采用激光作为热源，仅对半导体进行加热处理，未产生相变过程。而本发明激光再晶化工艺处理过程中，半导体材料会发生两次相变--熔融液化而后再固相结晶。因而，此二者工艺在本质上有显著的区别。
实施例二
请参见图4a-图4p，图4a-图4p为本发明实施例提供的一种基于Ge/Si虚衬底的GePIN光电探测器制备方法的工艺结构事宜图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的的技术方案进行详细描述。具体地，该方法可以包括：
S101、衬底选取。如图4a所示，选取掺杂浓度为5×1018cm-3的P型单晶硅(Si)衬底片(001)为初始材料101；
S102、Ge外延层生长。
S1021、如图4b所示，第一Ge外延层生长。在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长40～50nm的Ge籽晶层102；
S1022、第二Ge外延层生长。如图4b所示，在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽晶层表面生长150～250nm的Ge主体层102；(为了便于图示观看，将Ge籽晶层和Ge主体层合为一层102)
S103、保护层的制备。如图4c所示，利用CVD工艺在所述第二Ge主体层表面上淀积150nm SiO2层103；
S104、Ge外延层的晶化。如图4d所示，将包括所述单晶Si衬底、所述第一Ge籽晶层、所述第二Ge主体层及所述SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层104；
S105、保护层的刻蚀。如图4e所示，利用干法刻蚀工艺刻蚀图4c中的SiO2氧化层，得到高质量的Ge/Si虚衬底。
S106、P型Ge外延层生长。如图4f所示，利用减压CVD生长300nm的P型Ge 105，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为330℃,由于此外延层是在Ge/Si虚衬底上生长的，Ge的质量较好，晶格失配率较低；
S107、有源区刻蚀。如图4g所示，用硝酸和氢氟酸刻蚀200nm的Ge；
S108、其它外延层生长。
S1081、I型Ge外延层的生长。如图4h所示，利用减压CVD生长300nm的I型Ge 106，生长温度为160℃；
S1082、N型Ge外延层的生长。如图4i所示，利用减压CVD生长20nm的N型Ge 107，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为160℃；
S1083、N型Si外延层的生长。如图4j所示，利用减压CVD生长20nm的N型Si 108，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为300℃；
S109、Al2O3淀积。如图4k所示，利用原子层外延技术(ALD)生长5nm的Al2O3；
S110、Al2O3刻蚀。如图4l所示，用氢氧化钠刻蚀5nm的Al2O3109；
S111、Al淀积。如图4m所示，利用原子层外延技术生长30nm的Al 110；
S112、SiO2生长。如图4n所示，利用化学气相淀积(CVD)的方法在表面淀积100nm的二氧化硅(SiO2)111；
S113、SiO2刻蚀。如图4o所示，用硝酸和氢氟酸刻蚀氧化层，得到接触孔；
S114、Ni/Ag淀积。如图4p所示，利用电子束蒸发淀积100nm的Ni/Ag金属112。
本实施中，基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器的工作原理如下：
在入射光的作用之下，Ge本征层内产生电子-空穴对，产生的电子和空穴在本征层内以高漂移速率分别向位于光电探测器P区和N区的电极移动，光生载流子形成回路输出电流。
综上所述，本文中应用了具体个例对本发明基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器及其制备方法的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
S101、选取掺杂浓度为5×1018cm-3的P型单晶Si衬底材料；
S102、在275℃～325℃温度下，利用CVD工艺在所述单晶Si衬底上生长厚度为40～50nm的Ge籽晶层；
S103、在500℃～600℃温度下，利用CVD工艺在在所述Ge籽晶层表面生长厚度为150～250nm的Ge主体层；
S104、利用CVD工艺在所述Ge主体层表面上淀积厚度为150nm第一SiO2层；
S105、将包括所述单晶Si衬底、所述Ge籽晶层、所述Ge主体层及所述第一SiO2层的整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s；
S106、利用干法刻蚀工艺刻蚀所述第一SiO2层，以得到Ge/Si虚衬底；
S107、利用减压CVD工艺生长厚度为300nm的P型Ge层，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为330℃；
S108、采用硝酸和氢氟酸刻蚀部分区域的所述P型Ge层，刻蚀厚度为200nm；
S109、利用减压CVD工艺在未刻蚀的所述P型Ge层表面生长厚度为300nm的本征Ge层，生长温度为160℃；
S110、利用减压CVD工艺在所述本征Ge层生长厚度为20nm的N型Ge层，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为160℃；
S111、利用减压CVD在所述N型Ge层表面生长厚度为20nm的N型Si层，掺杂浓度为1×1020cm-3，生长温度为300℃；
S112、利用ALD工艺在整个衬底表面生长厚度为5nm的Al2O3材料；
S113、采用氢氧化钠刻蚀部分区域的所述Al2O3材料，刻蚀厚度为5nm；
S114、利用原子层外延工艺在所述Al2O3材料表面有选择性的生长30nm的Al材料；
S115、利用CVD工艺在整个衬底表面淀积厚度为100nm的第二SiO2层；
S116、采用硝酸和氢氟酸刻蚀所述第二SiO2层，刻蚀位置与所述Al2O3材料被刻蚀的位置相同，形成接触孔；
S117、利用电子束蒸发工艺淀积厚度为100nm的Ni/Ag材料，以形成所述基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器电极。
2.一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器，其特征在于，包括：单晶Si衬底、晶化Ge层、P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层、Al2O3层及Al层；其中，所述光电探测器由权利要求1所述的方法制备形成。
3.一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器的制备方法，其特征在于，包括：
选取Si衬底；
第一温度范围下，在所述Si衬底表面生长Ge籽晶层；
第二温度范围下，在所述Ge籽晶层表面生长Ge主体层；
在所述Ge主体层表面生长第一SiO2层；
将整个衬底材料加热至700℃，连续采用激光工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kW/cm2，激光移动速度为25mm/s，形成晶化Ge层；
去除所述第一SiO2层；
在所述晶化Ge层表面连续生长P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层；
在所述N型Si层表面生长Al2O3材料，并刻蚀所述Al2O3材料形成接触孔；
在所述Al2O3材料表面生长Al材料，刻蚀所述Al材料，最终形成所述基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一温度范围为：275℃～325℃；所述第二温度范围为：500℃～600℃。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述晶化Ge层表面连续生长P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层，包括：
利用减压CVD工艺在所述晶化Ge层表面生长所述P型Ge层；
利用减压CVD工艺在所述P型Ge层表面生长所述本征Ge层；
利用减压CVD工艺在所述本征Ge层表面生长所述N型Ge层，形成PIN结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，形成PIN结构之后，还包括：
利用减压CVD工艺在所述N型Ge层表面生长所述N型Si层。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，刻蚀所述Al材料之后，还包括：
利用CVD工艺在整个衬底表面淀积SiO2材料；
采用硝酸和氢氟酸刻蚀所述SiO2材料，刻蚀位置与所述Al2O3材料被刻蚀的位置相同；
利用电子束蒸发工艺淀积Ni/Ag材料。
8.一种基于Ge/Si虚衬底的Ge PIN光电探测器，其特征在于，包括：单晶Si衬底、晶化Ge层、P型Ge层、本征Ge层、N型Ge层、Al2O3层及Al层；其中，所述光电探测器由权利要求3～8任一项所述的方法制备形成。
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